JP2007142397A - 半導体デバイス用超格子歪緩衝層 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌに富んだＡｌＧａＮ膜をクラックなしでＧａＮ／サファイアテンプレート系上に成長させ得るようにする。
【解決手段】Ａｌ₂Ｏ₃基板１２上にその基板１２と接触するようＧａＮテンプレート層１４を形成し、このテンプレート層１４上にそのテンプレート層１４と接触するようＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を形成する。超格子層１６は、例えば各０．７ｎｍ厚のＡｌＮ層及びＧａＮ層を交互に形成した構造とし、歪緩衝機能を持たせる。ＬＥＤにするなら例えば超格子層１６の上方に少なくとも２５％のＡｌ分を含むＩｎＡｌＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）へテロ構造２４を形成する。歪緩衝機能を有する超格子層１６があるためその上の各層における欠陥の発生が抑えられ、Ａｌに富んだ膜を形成でき、遠ＵＶ発光型ＬＥＤを含め光学系又は非光学系用途に適した半導体構造が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、Ａｌに富んだ欠陥の少ない層を有し量子井戸ヘテロ構造により形成される面発光ＬＥＤのデバイスアーキテクチャの改良に関する。なお、本願は米国政府との包括的有償契約に基づく出願であり、米国政府は本願出願人に対し、米国防総省防衛高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）との間に結ばれた契約第Ｎ６６００１−０２−Ｃ−８０１７号並びに米国陸軍航空ミサイルコマンド（ＡＭＣＯＭ）との間に結ばれた契約第ＤＡＡＨ０１−０３−９−Ｒ００３号中の条項による条件に従い、他者に本発明の実施権を許諾するよう求めることができる場合がある。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体における窒化物の用途といえば、以前は可視光波長発光型ＬＥＤ用活性領域の形成であったが、窒化物により形成されるバンドギャップは割合に広く、例えば波長＝３００〜４００ｎｍで発光する紫外光（ＵＶ）発光型ＬＥＤをも製造可能な広さがあることから、今日では、可視光域及びＵＶ域内のスペクトラムで発光するＩｎＡｌＧａＮ系ＬＥＤが開発・製造されるに至っている。その例としては、この参照を以てその内容を本願中に繰り入れるところの特許文献５（発明者：Ｂｏｕｒ ｅｔ ａｌ．）に記載のデバイスがある。この種のデバイスは、通常、Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）基板上に形成したＧａＮ：Ｓｉ又はＡｌＧａＮ層をテンプレートとして形成される。そのデバイス構造としては、テンプレート層の上に、順に、超格子構造を採る光漏れ抑制用ＡｌＧａＮ：Ｓｉ／ＧａＮ層、導電接続用のｎコンタクト層、光を導波するためのｎＧａＮ層、量子井戸ヘテロ構造を採るＩｎＧａＮ活性領域、並びに光を導波するためのｐＧａＮ領域を形成した構造を採る。これをデバイスとして仕上げる際には、更にその上に、例えばクラッディングとなるｐＡｌＧａＮ：Ｍｇ層、キャッピング層、更にはｐ電極を堆積・成長させる。

米国特許第６９４９１４０号明細書（Ｂ２） 米国特許第６８９８２２６号明細書（Ｂ２） 米国特許第６８８１６０１号明細書（Ｂ２） 米国特許第６８７５６２９号明細書（Ｂ２） 米国特許第６８７５６２７号明細書（Ｂ２） 米国特許第６８６５２０２号明細書（Ｂ２） 米国特許第６８６４５０２号明細書（Ｂ２） 米国特許第６７５７３１４号明細書（Ｂ２） 米国特許第６７４４８００号明細書（Ｂ１） 米国特許第６６１７２６１号明細書（Ｂ２） 米国特許第６４５６６４０号明細書（Ｂ１） 米国特許第６４５５３４０号明細書（Ｂ１） 米国特許第６３６５４２９号明細書（Ｂ１） 米国特許第６１０７６４４号明細書 米国特許第６０７８０６４号明細書 米国特許第５５７８８３９号明細書 Vaudo et al., "GaN Boule Growth: A Pathway to GaN Wafers With Improved Material Quality", Physica Status Solidi A, v 194, n 2, Dec. 2002, p 494-7, ISSN:0031-8965, CODEN:PSSABA

こうした窒化物ベースのＵＶ発光型ＬＥＤに関しては、これまでにも、そのデバイス信頼性、光出力パワー及びモード安定性を向上させるべく、様々な試みがなされている。しかしながら、ＵＶ発光型ＬＥＤの性能は、青色ＬＥＤや緑色ＬＥＤに比べるとかなり低いレベルにしか到達していないのが現状である。はっきりしているのは、どのような性質の基板及びテンプレート層を使用、形成するかによって、そのＵＶ発光型ＬＥＤの全体としての性能が決定的な影響を受ける、ということである。例えば、ＵＶ発光型ＬＥＤの光出力に大きな影響を与える要素の一つに、ＬＥＤ構造を決定づける層間の電気抵抗値がある。ＵＶ発光型ＬＥＤにおいて常用されるＡｌ₂Ｏ₃は、基板素材としては数多くの利点を有する素材であるが、その上にＡｌＧａＮテンプレート層を形成すると高い直列抵抗が発生してしまう。これはそのドーピング能力が低いことによる。更に、一般に半導体デバイスの動作特性に対し根本的な影響を及ぼす要因として、そのデバイスを形成する各種の層の結晶構造がある。その点でいうと、ＡｌＧａＮ層の結晶構造は、結晶テンプレート層とするにはやや貧弱である。

即ち、サファイア基板上のＡｌＧａＮ又はＡｌＮテンプレート層における転位密度は、通常は１０⁹ｃｍ^-2台半ばから１０¹⁰ｃｍ^-2台後半の範囲内である。そのため、２５０〜３５０ｎｍ波長域で発光する遠ＵＶ発光型ＬＥＤの外部量子効率は、非常にうまく仕上がったデバイスでもなお、２％を超えることがない。ＧａＮベースの青色ＬＥＤ構造では外部量子効率が５０％近くに達することに留意されたい。更に、サファイア基板上に形成されるＡｌＧａＮ又はＡｌＮテンプレート層における転位密度が高いことによって、ＬＥＤ寿命が短いという大きな問題が引き起こされている。

他方、可視光発光型ＬＥＤについては、サファイア基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、そのＧａＮ層をテンプレートとして用いてＩｎＧａＡｌＮ膜を成長させれば、テンプレート層内の転位密度が適正になりまた光電品質が優良になることが、解っている。サファイア基板上のＧａＮテンプレート層における転位密度は、通常は１０⁹ｃｍ^-2台前半から１０⁷ｃｍ^-2台半ばの範囲内であるので、サファイア基板上にＧａＮテンプレート層を形成したものをテンプレート系とすることにより、ＧａＮベース可視光発光型ＬＥＤを好適に形成できる。

ＬＥＤ出力光の波長は、そのＬＥＤの多重量子井戸ヘテロ構造（ＭＱＷＨ）活性領域内に存するＡｌの量に対して負の相関を有しているので、可視光発光型ＬＥＤにて使用されるＧａＮ層に代えＡｌを加増した層をテンプレートとして用いれば、可視光より短波長例えばＵＶで発光するＬＥＤを得ることができるかもしれない。しかしながら、ＭＱＷＨ領域内Ａｌ量を可視光発光型ＬＥＤにおけるそれよりも多くすると、構造上及びデバイス性能上、様々な問題が現れる。

更に、サファイア基板及びその上に形成したＧａＮテンプレート層からなるＧａＮ／サファイアテンプレート系上に優良品質のＵＶ発光型ＬＥＤ構造を形成する試みは、結晶テンプレートとして形成したＧａＮ層とその上にエピタキシャル成長させた層の間に大きな格子不整合が生じ、歪ひいてはクラックが発生する、という解決困難な問題に直面している。こうした格子不整合は、ＧａＮ／サファイアテンプレート系上に形成される層内のＡｌ量が多い程ひどくなる。先に述べたようにＵＶ発光型ＬＥＤを得る必要からＡｌに富んだ層を形成する（例えば２８０ｎｍで発光するＬＥＤを得るためその層内Ａｌ量が最大５０％のＭＱＷＨ活性領域を形成し更にその層内Ａｌ量が最大６０〜７０％のＡｌＧａＮ電流及び光閉じこめ層を周囲に形成する）と、ＧａＮ／サファイアテンプレート系上に成長したＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造内に引張応力が発生し、それによってＡｌＧａＮエピタキシャル層にクラックが生じる。ＡｌＧａＮエピタキシャル層の厚みが限界厚みを超えなければこうしたクラックは生じないが、Ａｌのモル分率が５０％のＡｌＧａＮ膜の場合、その限界厚みは約２０〜５０ｎｍと非常に薄い。この値は、実用に足る遠ＵＶ発光型ＬＥＤ構造を実現するには大変に薄すぎる。そして、格子不整合を吸収可能な歪緩衝の仕組みを実現するための努力は、これまでのところ、何れも成功しておらず或いは非実用的な段階に留まっている。

こうした状況に鑑み、本願においては、Ａｌに富んだ厚いＡｌＧａＮ膜をクラックなしでＧａＮ／サファイアテンプレート系上に成長させ得るようにするため、歪を緩衝する層、例えばＧａＮ／ＡｌＮからなる超格子構造を用いることを提案する。例えば、ＧａＮ／サファイアテンプレート系の上方にＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造を成長させ、それによってＵＶ発光型ＬＥＤを形成する場合、本発明の一実施形態によれば、ＧａＮテンプレート層上に、歪緩衝層として機能するＧａＮ／ＡｌＮ短周期超格子（ＳＰＳＬ）層が形成される。ＧａＮテンプレート層上にこうしたＧａＮ／ＡｌＮ歪緩衝ＳＰＳＬ層があれば、Ａｌに富んだＩｎＡｌＧａＮによる高品質のＭＱＷＨ活性領域をクラックなしで成長させ、遠ＵＶ波長域で発光するＬＥＤを製造することができる。更に、このＧａＮ／ＡｌＮ歪緩衝ＳＰＳＬ層は、デバイスを構成する他の層を成長させるのに適した条件（例えば温度及び圧力）で、形成することができる。そうすることによって、デバイスの生産効率が高まる。

これは必須ではないが、ＭＱＷＨ構造を成長させることにより遠ＵＶ発光型ＬＥＤ構造を形成した後は、例えば形成した遠ＵＶ発光型ＬＥＤ構造をヒートシンク上にフリップチップボンディングし、更にエキシマレーザ等によるレーザリフトオフ（ＬＬＯ）を実行してサファイア基板を除去するとよい。光吸収性のＧａＮテンプレート層や、ＧａＮ／ＡｌＮ歪緩衝ＳＰＳＬ層（の全部又は一部）も、反応性ガス支援イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）等のドライエッチング法等を用いて除去するとよい。ＧａＮ／サファイアテンプレート系を除去すると、ＵＶ透過性のＡｌＧａＮ電流拡散層を介し光が出射されることとなるため光出射効率が高まるだけでなく、デバイス構造の垂直構造化によって動作電圧を下げることも可能になる。

本発明は、更に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の非光学的用途にも有用である。即ち、本発明に係る歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ層を形成、使用することによって、非光学的用途に用いられるＧａＮ／サファイアテンプレート系上に、比較的Ａｌに富んだ欠陥の少ない膜を成長させることが可能になる。

図１に、本発明に係る半導体構造の一例たるＬＥＤ構造１０を示す。このＬＥＤ構造１０はインデクスガイディング層及び障壁付ＡｌＧａＩｎＮヘテロ構造を形成しており、図示の如く、Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）基板１２の上に、ＧａＮ層１４、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層１８、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ：Ｓｉ超格子層２０、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層２２、ＩｎＡｌＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２４、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層２６、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層２８、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ：Ｍｇ超格子層３０及びＧａＮ：Ｍｇ層３２を形成した構造を有している。そのうち基板１２に接しているＧａＮ層１４はテンプレート層として使用される層であり、この層は、厚み＝２〜１０μｍまでＧａＮをエピタキシャル成長させることによって、基板１２上に形成する。このテンプレート層１４を形成するに際しては、温度＝約１１００℃、炉内圧＝約２００Ｔｏｒｒの雰囲気を使用するとよい。また、Ｓｉをドーピングしてもよいし、しなくてもよい。テンプレート層１４に接するようテンプレート層１４上に形成されているＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６は、歪緩衝用のＳＰＳＬ層乃至超格子構造であり、これについては後に詳述する。その上に形成されているＡｌＧａＮ：Ｓｉ層１８はバッファ層、更にその上に形成されているＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ：Ｓｉ超格子層２０はｎストレイン層である。このｎストレイン層２０を設けることによって、その上のクラッディングを厚めに形成することが可能となり、従って更にその上の各層への光漏れを抑えることができる。その上に形成されているＡｌＧａＮ：Ｓｉ層２２はインデクスガイディング層として機能するｎクラッディング層であり、その上に形成されているＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層２４はＭＱＷＨ活性領域であり、更にその上に形成されているＡｌＧａＮ：Ｍｇ層２６はインデクスガイディング層として機能するｐクラッディング層であり、更にその上に形成されているＡｌＧａＮ：Ｍｇ層２８はバッファ層であり、更にその上に堆積しているＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ：Ｍｇ超格子層３０はｐストレイン層であり、最後に形成されているＧａＮ：Ｍｇ層３２はＬＥＤ構造１０を覆うキャッピング層である。この構造においては、ＭＱＷ活性層２４は超格子層１６より上方にあり、またインデクスガイディング層２２及び２６はＭＱＷ活性層２４を上下から挟んでいる。なお、上述した層のうち幾つかの形成手法については、例えば、先に引用した特許文献５にも散見されるので参照されたい。ご理解頂けるであろうが、デバイスを完成させるには図示しない電極類等を設けることとなろう。また、図示した構造と同一又は類似の構造を複数個、アレイ状に形成する実施形態もあり得る。

こうして得られるＬＥＤ構造１０は、それ自体でもＵＶ発光型ＬＥＤとして機能し得るものの、ＧａＮテンプレート層１４がＵＶ波長域では光吸収性を呈するため、ＭＱＷ活性層２４にて発生した輻射光が基板１２通過時にＧａＮテンプレート層１４により幾分吸収されてしまう。そこで、本実施形態では、デバイス性能を存分に引き出すために、Ａｌ₂Ｏ₃基板１２及びＧａＮテンプレート層１４を除去することとしている。基板・テンプレート層除去プロセスとしては、例えば、この参照を以てその内容を本願に繰り入れるところの特許文献８に記載されているＬＬＯプロセスを、変形適用すればよい。ＬＬＯプロセスを利用した基板・テンプレート層除去方法には少なくとも二種類を提案できる。そのうち第１の方法は、基板ヒートシンク体接合、基板除去、テンプレート層除去（兼超格子層除去）等の工程を実施する方法である（後述の図２）。基板ヒートシンク体接合とは、図１に示したＬＥＤ構造１０の表裏両面のうちＡｌ₂Ｏ₃基板１２がある側から見て裏側の面上に、基板及びヒートシンクを一体にした基材或いは基板の役割とヒートシンクの役割とを兼ね備える基材、即ち基板ヒートシンク体を接合する工程である。次いで実施される基板除去は、レーザ例えばエキシマレーザによってＧａＮテンプレート層１４からＡｌ₂Ｏ₃基板１２を分離し、分離されたＡｌ₂Ｏ₃基板１２を取り除く工程である。その後実施されるテンプレート層除去は、ケミカルプロセス例えばドライエッチングによって、基板除去済のＬＥＤ構造１０から更にＧａＮテンプレート層１４を取り除く工程である。テンプレート層除去工程において、テンプレート層除去目的のケミカルプロセスにより更にＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の全部又は一部をも同時に除去可能である。ＬＬＯプロセスを利用した基板・テンプレート層除去方法としては、第２に、中間基板接合、基板除去、テンプレート層除去（兼超格子層除去）、ＵＶ透過性基板接合等の工程を実施する方法がある（後述の図８）。中間基板接合とは、図１に示したＬＥＤ構造１０の表裏両面のうちＡｌ₂Ｏ₃基板１２がある側から見て裏側の面上に、転写用の中間基板乃至ウェハを接合する工程である。ＵＶ透過性基板接合は、Ａｌ₂Ｏ₃基板１２及びＧａＮテンプレート層１４（更にはＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の全部又は一部）を除去済のＬＥＤ構造１０の表裏両面のうち、除去前にＡｌ₂Ｏ₃基板１２及びＧａＮテンプレート層１４が占めていた側の面を、ある種のＵＶ透過性基板に接合する工程である。そこで、以下、まずは第１の基板・テンプレート層除去方法について、図２を参照して説明する。なお、以下の図示参照説明においては、本発明に係る半導体構造、ＬＥＤ構造、ＬＥＤ乃至それらの製造方法を、かなり模式化して示してある。即ち、実際の構造にて設けられる層が漏れなく図示或いは説明されているわけではないことに、留意されたい（他の図示参照説明に関しても同様である）。

第１の基板・テンプレート層除去方法を実施する場合、まず、図２Ａに示すようにＬＥＤ構造３４又はそのアレイを基板３６に固定する。固定されるＬＥＤ構造３４は図１に示したＬＥＤ構造１０と同様の構造を有するものであり、この図では、ＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層２４又はこれを含む一群の層が、ＩｎＡｌＧａＮ−ＬＥＤ活性領域５２として表されている。固定先の基板３６は、銅、ダイアモンド、バルクＡｌＮ、シリコン等、熱伝導率が高い素材によってヒートシンクとして機能するように形成された平板状の基板である（本願では「基板ヒートシンク体」と称する）。基板ヒートシンク体３６へのＬＥＤ構造３４の固定には、フリップチップボンディング、加熱ボンディング、（超）音波ボンディング等の間接的固定手法を使用した各種の加工・変形プロセス、即ち基板ヒートシンク体３６・ＬＥＤ構造３４間に恒久的な電気的、熱的及び機械的接触及び接合をもたらせる加工・変形プロセスによって行う。図示の例では、ＬＥＤ構造３４側（ＭＱＷ活性層２４側）に第１金属コンタクト層（ｐコンタクト）３８が、また基板ヒートシンク体３６側に半田層４０及びＡｕＴｉ層４２のペアがパターニングされて又はパターニングなしで、それぞれ配されているので、例えば半田リフローによってｐコンタクト３８を半田層４０及びＡｕＴｉ層４２に接合することにより、基板ヒートシンク体３６にＬＥＤ構造３４を固定するとよい。基板ヒートシンク体３６に熱伝導性のみならず電気伝導性もあり、従ってこの接合乃至固定を介してＬＥＤ構造３４のｐコンタクト３８が基板ヒートシンク体３６に電気的に接続される場合には、基板ヒートシンク体３６の背面即ちＬＥＤ構造３４とは逆側の面上に背面コンタクト層（背面ｐ電極）４４を配することで、良好な品質の外部電極を形成することができる。

ＬＥＤ構造３４を基板ヒートシンク体３６に固定したら、次いで、図２Ｂに示すようにエキシマレーザによりＡｌ₂Ｏ₃基板１２上を走査する。Ａｌ₂Ｏ₃基板１２・ＧａＮテンプレート層１４界面では、ＧａＮとそれに接する素材との間のバンドギャップによりこのレーザ光が高効率で吸収されるため、レーザ光照射につれＧａＮ素材の分解が効率的に進行し、Ａｌ₂Ｏ₃基板１２・ＧａＮテンプレート層１４間接合が脆化（或いは破壊）される。レーザ光照射で変性した界面を更に高温、例えばＧａの融点より高い温度（Ｔｍ〜３０℃）で熔融させれば、その界面における接合は更に弱くなる。レーザ光照射（及び加熱）によって接合が十分に弱まったら、図２Ｃに示すようにＡｌ₂Ｏ₃基板１２をＬＥＤ構造３４から取り外す。この取外は特別な手段でなく単なる（機械的な）取外作業・取外手段で行うことができる。

Ａｌ₂Ｏ₃基板１２を取り外した後のＬＥＤ構造３４上には、通常は厚み＝数μｍのＧａＮテンプレート層１４と、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６とが残っている。そこで、ＧａＮテンプレート層１４と、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６（のうち一部又は全部）とを、ＣＡＩＢＥ等のドライエッチング法か、或いは適当なウェットエッチング法を用いて取り除く。これを実施すると、実質的に、図２Ｄに示すが如き構造が得られる。図２Ｄに示す構造が得られたら、その構造の表面に露出しているＩｎＡｌＧａＮ−ＬＥＤ活性領域５２上に導電体をパターニングすることにより、図２Ｅに示すように第２導電コンタクト層（ｎコンタクト）５４を形成する。このパターニングは例えば標準的なフォトリソグラフィプロセスやシャドーマスクプロセスによって行えばよいが、無論そうしたプロセスに限定されるものではなく、これを行える手法は他にもいろいろある。こうして最終的に得られるＬＥＤ構造５６は、図２Ｆに示すように基板ヒートシンク体３６と直交する方向に沿い上面から光を出射する構造となる。また、ＬＥＤ活性領域５２を挟むよう下面及び上面に形成されＬＥＤ活性領域５２に直接接しているコンタクト層４４，５４を介し、そのＬＥＤ活性領域５２を外部に直接導電接続することができる。

図３に、本実施形態におけるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の一例構成を示す。この例におけるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６は、ＡｌＮ層の上にＧａＮ層を形成する手順を繰り返して形成した複数個のＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７から構成されている。即ち、この図に示す構成を得るには、まずＧａＮテンプレート層１４の上にＡｌＮ層を成長させ、次いでその上にＧａＮ層を成長させる。これら成長させたＡｌＮ層及びＧａＮ層は１個目のＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７をなす。この１個目のＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７の上にも、同じくＡｌＮ層更にはＧａＮ層を成長させ、それによって２個目のＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７を形成する。こうした手順を繰り返すことにより、多数のＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７からなるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を形成することができる。最終ペアのＧａＮ層上にはＡｌＧａＮ：Ｓｉバッファ層１８を形成する。また、各ＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７を構成するＧａＮ層の厚みは約０．７ｎｍ、同じくＡｌＮ層の厚みも約０．７ｎｍであり、これらＧａＮ層及びＡｌＮ層は温度＝約１１００℃、炉内圧＝約２００Ｔｏｒｒで成長させる。ＧａＮ層及びＡｌＮ層の成長速度はおよそ０．５ｎｍ／ｓｅｃに達する。ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６はアンドープ層として形成すればよいが、Ｓｉ等をドーピングしてもかまわない。ドーピングには本件技術分野において既知の手法を用いればよい。

ご理解頂けるように、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の基本的役割は、その上にＡｌに富んだ層を堆積、成長させられるようにすることにある。即ち、本実施形態の如くＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を設けた場合、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の上方に形成される各層では欠陥の発生が抑えられるため、従来では形成できなかったＡｌに富む層を、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の上方に堆積、成長させることができる。反面、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を形成するには複数ペアの要素層（ＧａＮ層及びＡｌＮ層）を交互形成する必要があり、各要素層の形成毎にプロセス用装置制御条件の設定や組成素材の炉内導入を行わねばならないため、多数の要素層からなるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の形成には多くの時間がかかりまた多くのプロセスリソースが費やされる。従って、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を形成する際には、プロセスが単純になるようＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７の個数を抑えよという要請と、Ａｌに富むヘテロ構造をクラックなしで形成できるよう十分な個数のＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７を設けよという要請とを、適正に勘案してバランスをとることが肝要である。

ＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７の個数が何個の範囲であればバランスがとれるかを調べるため、本願出願人は、図１に示したＵＶ発光型のＬＥＤ構造１０からＡｌ₂Ｏ₃基板１２、ＧａＮテンプレート層１４及びＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を除去した構造を、複数通り試作して試験を行った。試作品は、２０〜８０個の範囲内でＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７の個数を違えて複数個製作した。また、各ＡｌＧａＮ層におけるＡｌのモル分率は２５〜４０％の範囲内とし、Ａｌ₂Ｏ₃基板１２、ＧａＮテンプレート層１４及びＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の除去には前掲の特許文献８に記載のプロセスを使用した。そして、その結果得られた複数個の試作品について、構造的な問題の有無、そのＡｌＧａＮ：Ｓｉバッファ層１８の表面状態、その光学特性・光学性能の値を調べた。ＡｌＧａＮ：Ｓｉバッファ層１８の表面状態を調べたのは、ＡｌＧａＮ：Ｓｉバッファ層１８にクラックを生じさせないようにすることが、その上方に各種の各層を好適に形成する上で、またＭＱＷＨ活性領域２４におけるクラック発生を防ぎデバイス性能を確保する上で、致命的に重要な要請であるからである。表１にまとめてあるように、また図７Ａ〜図７Ｄに示した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真から看取できるように、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を構成するＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７の個数を２０個とした試作品においては、ＡｌＧａＮ：Ｓｉバッファ層１８に顕著な表面不整及びクラックが現れ、また４０個とした試作品においても（構造的クラックは減少したが）表面不整及びクラックが幾分か現れたのに対し、８０個とした試作品においては、構造的クラックがなく、表面が滑らかで、ＬＥＤ発光特性がよく、その割りにＧａＮ・ＡｌＮマッチドペア５７の個数が少ないという望ましい結果が得られた。即ち、８０ペア型（或いは範囲を以て７０〜９０ペア型）ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を形成することにより、基本的には、察知できるようなダメージ乃至クラックをなくすことができる。

本願出願人は、更に、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を構成するＧａＮ層及びＡｌＮ層の厚みをどの程度にすればよいかに関しても、試作及び試験を行った。試作品においては、ＧａＮ層及びＡｌＮ層の厚みを０．７ｎｍ又は１．４ｎｍとして組み合わせた。更に、試作品の製作条件は上掲の試作と同様の条件とした。そうして得られた試作品、特にそのＡｌＧａＮ：Ｓｉバッファ層１８の表面状態を調べた結果によれば、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６を構成する各要素層の厚みによるクラック状況の違いは見受けられなかった。しかし、表２にまとめたように、半値幅（ＦＷＭＨ）におけるＸ線回折試験（ＸＲＤ）の結果が、ＧａＮ層及びＡｌＮ層を共に厚み＝０．７ｎｍとしたときに最も狭くなることが、判明した。

図４に、３２５ｎｍで発光させ得るＵＶ発光型ＬＥＤヘテロ構造５８の断面ＳＥＭ像を示す。このＳＥＭ像から看取できるのはＡｌ₂Ｏ₃基板６０、ＧａＮ：Ｓｉテンプレート層６２、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層６４及びＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷＨ層６６だけであるが、これ以外にも、近接する層に比べ薄すぎるか（その層へのドーピングの影響で）コントラストが低すぎるためＳＥＭ像に現れない層がある。例えば、ヘテロ構造５８の上にはコンタクト層があるが、このコンタクト層は２０ｎｍの厚みしかないため、ＳＥＭ写真から看取することはできない。この図のヘテロ構造５８においては、まずＡｌ₂Ｏ₃基板６０上にＧａＮ：Ｓｉテンプレート層６２が被着形成されており、その上に８０ペアの要素層からなるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層６４が被着形成されており、その上には更にＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷＨ層６６が被着形成されている。ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層６４を構成する各要素層の厚みは０．７ｎｍであり、ＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷＨ層６６におけるＡｌ量はモル分率で３５〜４０％の範囲内である（少なくとも２５％とするとよく、より好ましくは３５％以上とする）。この断面像から看取できるように、ＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷＨ層６６には、その下にあるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層６４に起因する目に付く特徴、例えばクラック等は現れていない。

図５に、ＧａＮ／サファイアテンプレート系上に成長させた遠ＵＶ発光型ＬＥＤ、特に本発明の特徴に係る歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を有するものの、電圧対電流特性を示す。この特性の測定は、サファイア基板除去、ＧａＮテンプレート層及びＧａＮ／ＡｌＮ超格子層のエッチングによる除去、並びに基板ヒートシンク体たる水晶基板への転写の後に、行った。その輻射のピークは波長＝３２７ｎｍ（約３２５ｎｍ）に現れている。また、図５にその電圧対電流特性を示したＵＶ発光型ＬＥＤの発光スペクトラムを、図６に示す。これらの特性データから解るように、ＬＬＯプロセスによる各層除去及び水晶基板への転写を実施して得た遠ＵＶ発光型ＬＥＤのデバイス特性は良好である。即ち、その電流電圧特性がよく、発光スペクトラムのピーク幅が狭くてきれいである。これらのことは、このＬＥＤを構成する素材の品質やこのＬＥＤのデバイスとしての品質が、全体的に良好であることを表している。

図８に、本発明の他の実施形態に係る面発光型ＬＥＤ製造方法を示す。この図に示す方法においては、ＵＶ発光型ＬＥＤ構造３４をひとまずサファイア基板１２からから中間基板（中間ホスト基板）７０に転写し、更にその主要部をＵＶ透過性の素材からなる恒久基板７４に被着又は転写する、という手法を採っている。中間基板７０としては、例えば水晶基板、フレキシブル基板等を用いることができる。フレキシブル基板を用いる方が、得られたＬＥＤをより大きなシステム内に組み込むには、都合がよいであろう。

この方法を実施する際には、まず、図８Ａに示すように、ＵＶ発光型ＬＥＤ構造３４の表裏両面のうちサファイア基板１２側とは逆側の面上に、接着剤やエポキシを用いて（例えばＵＶ透過性の）中間基板７０を接合し、次いで、図８Ｂ及び図８Ｃに示すように、先の実施形態と同じくＬＬＯプロセスを実施してＧａＮテンプレート層１４上のサファイア基板１２を除去し、更に、図８Ｄに示すように、エッチングによりＧａＮテンプレート層１４（及びＧａＮ／ＡｌＮ超格子層１６の全部又は一部）を界面１００から除去する。エッチングに先立って平坦化用の犠牲層１０２を形成してもよい。この工程を終えた段階では、中間基板７０上にはＬＥＤ活性領域５２その他の層が残っている。エッチングを終えたら、次いで、図８Ｅに示すようにＬＥＤ活性領域５２上にｎコンタクト層７２を形成し、更にＵＶ透過性のエポキシ例えばＥｐｏｔｅｋ３０１−２ＦＬ（商品名）を用いてｎコンタクト層７２に恒久基板７４を接合する。但し、恒久基板７４をＬＥＤ活性領域５２に直に接合し、恒久基板７４それ自体をｎコンタクトとして機能させるようにしてもよい。ＵＶ透過性エポキシが中間基板７０に接着しないようにするため、ＬＥＤの側面に保護層を何層か設けることもできる。

この後ＬＥＤを完成させるやり方は、図８Ｆから看取できるように少なくとも二通りある。一つ目のやり方は、中間基板７０をＬＥＤ構造と接合しているエポキシを溶解させる溶剤、例えばアセトン中に中間基板７０付のＬＥＤ構造を浸漬させ、それによって中間基板７０をＬＥＤ構造から切り離す、というやり方である。中間基板７０がなくなれば、図中下側へと光を出射することができる。ＬＥＤ活性領域５２との電気的接続は、その上下のコンタクト層を介し上側、即ち恒久基板７４側から行えばよい。もう一つのやり方は、中間基板７０としてそもそもＵＶ透過性の基板を使用しておく、というやり方である。このやり方を採る場合、中間基板７０を取り除く必要はない。このやり方によって得られるＬＥＤも、図中下側へと光を出射し電気的接続は上側から行う構成となる。

以上説明したように、本発明によれば、ＧａＮ／サファイアテンプレート系上に歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を形成することとしたため、歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層の上方に、比較的Ａｌに富む層を実質的に欠陥なしで形成することができる。こうした構造はとりわけ光学系にて有用であるが、本発明は非光学系の分野にも適用することができる。例えば、この参照を以てその内容を本願中に繰り入れるところの米国特許出願第１０／９５２２０２号に記載のＨＥＭＴにおいて、Ａｌ量の多いＡｌＧａＮバッファ層の上にアンドープＧａＮ層を形成する場合、歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ層を設けることによって、ＡｌＧａＮバッファ層の品質向上によるアンドープＧａＮ層の品質向上を通じ、終局的にはデバイス性能を向上させることができる。このように、本発明は、非光学的用途に用いられるＧａＮ／サファイアテンプレート系上に歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ層を形成し、比較的Ａｌに富む膜を少ない欠陥で成長させ得るようにする形態でも、実施できる。

また、以上本発明の好適な実施形態として説明した構成においては、ＧａＮ／サファイアテンプレート系の上方にＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を形成し、この超格子層を部分的に歪緩衝層として機能させて遠ＵＶ発光型ＬＥＤを成長させていた。更に、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を設ける手法の利点として、ＧａＮ／サファイアテンプレート系とモル分率的にＡｌに富むヘテロ構造との間の歪を緩和できることや、それにより性能がよく遠ＵＶで発光するＬＥＤ構造を好適に成長させ得ることや、エキシマレーザを用いたＬＬＯによって基板を除去するという工法をとれることも、示されていた。このように詳細に説明したけれども、その対象とされたのは本発明の一実施形態であって本発明には他種実施形態、変形例があり得ることを、了解されたい。即ち、上に説明した実施形態は単なる代表例であり、いかなる迂路を介してであれ、本発明の技術的範囲、用途、構成等を限定、縮小解釈する余地を与えるものではない。むしろ、以上の説明は、本件技術分野における習熟者（いわゆる当業者）が本発明を実施する際便利に参照できる案内文というべきものであり、上述の実施形態に対しては、別紙特許請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲、並びにその思想的神髄を逸脱することなく、様々に構成上又は機能上の変形を施し得ることを、念頭に置かれたい。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ、即ちＭＱＷＨ活性領域及びＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を有するＬＥＤの断面図である。 本発明の一実施形態に係る面発光型ＬＥＤ製造方法、特にそのＬＬＯプロセス及びエッチングプロセス内工程群を示す図である。 本発明の一実施形態におけるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＬＥＤ構造、即ちＧａＮ／サファイアテンプレート系、その上にあるＧａＮ／ＡｌＮ超格子層並びに更にその上に成長させたＭＱＷＨ活性領域を有するＬＥＤ構造の一部分について、ＳＥＭ撮像データを示す図である。 本発明の一実施形態に係る遠ＵＶ発光型ＬＥＤ、即ちＧａＮ／サファイアテンプレート系、その上にある歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層並びにその上に成長させたＬＥＤ活性領域を有する遠ＵＶ発光型ＬＥＤの電圧電流特性が許容水準に達することを示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る遠ＵＶ発光型ＬＥＤ、即ちＧａＮ／サファイアテンプレート系、その上にある歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層並びにその上に成長させたＬＥＤ活性領域を有する遠ＵＶ発光型ＬＥＤの発光スペクトラムを示す波長対出力光強度グラフである。 ＧａＮ／サファイアテンプレート系上に成長させた遠ＵＶ発光型ＬＥＤ、特にその間にある歪緩衝用超格子層を構成するＧａＮ層とＡｌＮ層のペア数が２０ペアのＬＥＤを捉えたＳＥＭ撮像データを示す図である。 同じく４０ペアのＬＥＤを捉えたＳＥＭ撮像データを示す図である。 同じく６０ペアのＬＥＤを捉えたＳＥＭ撮像データを示す図である。 同じく８０ペアのＬＥＤを捉えたＳＥＭ撮像データを示す図である。 本発明の他の実施形態に係る面発光型ＬＥＤ製造方法を示す図である。

符号の説明

１０，３４，５６，５８ ＬＥＤ構造、１２，６０ Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）基板、１４，６２ ＧａＮ又はＧａＮ：Ｓｉテンプレート層、１６，６４ 歪緩衝用ＧａＮ／ＡｌＮ超格子（ＳＰＳＬ）層乃至構造、２４，５２，６６ ＩｎＡｌＧａＮ−ＭＱＷ又はＭＱＷＨ−ＬＥＤ活性層乃至活性領域。

Claims (4)

1. 基板と、基板上に被着形成されたテンプレート層と、テンプレート層上に被着形成された超格子構造と、を備え、上記超格子構造がＡｌＮ層及びＧａＮ層を複数ペア有する半導体構造。
2. 請求項１記載の半導体構造であって、上記基板がＡｌ₂Ｏ₃を含む半導体構造。
3. 請求項２記載の半導体構造であって、上記テンプレート層がＧａＮを含む半導体構造。
4. 請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体構造であって、更に、超格子構造の上方に形成され少なくとも２５％のＡｌ分を含む多重量子井戸へテロ構造を備え、以て半導体ＬＥＤ構造として構成された半導体構造。